PTP在TETRA集群通信系統中的應用研究

林赟，劉洋，王凱

（海能達通信股份有限公司，廣東 深圳 518057）

1 引言

移動通信系統均有嚴格的時鐘同步要求，以確保系統的正常工作，因此移動通信系統的研發設計和工程實施一直都面臨著挑戰。

PTP（Precision Time Protocol，精密時鐘同步協議）是一種基于分組網絡的同步技術，目前在公用移動通信網絡中應用較為廣泛，而在專用移動通信網絡中的應用則嚴重滯后。在專用移動通信領域，海能達公司率先將PTP同步技術應用到了新的TETRA 2代基站產品上。文章對比了傳統同步方式和PTP同步方式的優劣，闡述了PTP 同步技術在海能達TETRA 數字集群通信系統中的實際應用情況，并對PTP同步機制、性能及網絡要求等方面進行了測試驗證。海能達TETRA 2代基站如圖1所示。

2 PTP及時鐘同步技術簡介

2.1 時鐘同步的概念

時鐘同步包括頻率同步和時間同步兩個方面。

頻率同步指信號之間的頻率保持某種嚴格的特定關系，以此維持各個節點以相同的頻率運行。例如基站的載波頻率要滿足一定的精度。

時間同步，又稱為相位同步，是指各個節點的時刻保持一致。例如，基于協調世界時（UTC），通信網絡上各個節點的時間偏差需要保持在允許的范圍內。

圖1 海能達TETRA 2代基站

2.2 PTP簡介

IEEE 1588標準第一版于2002年發布，全稱是“網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準（Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems）”，是一種基于分組網絡的同步技術，支持頻率同步和時間同步，采用MAC層處理時間戳的方式，可達到亞微秒級的同步精度，主要應用于工業控制領域，IEEE 1588也被稱作PTP。

IEEE 1588 v2標準于2008年發布。與第一版相比，第二版針對通信網絡的應用環境作了相應的修改，例如縮短并統一了報文長度，允許單播傳播，并引入了透明時鐘機制。IEEE 1588 v2為代替GPS提供了可能的解決方案，PTP在通信行業中開始迅速商用。

PTP同步的基本原理：

一個PTP 同步系統由許多節點（設備）組成，節點之間通過網絡互聯，周期性地發布帶有時間戳的信息，使各個節點的時鐘得到同步。PTP設備包括普通時鐘（Ordinary Clock）、邊界時鐘（Boundary Clock）、透明時鐘（Transparent Clock）。

PTP采用主從（Master-Slave）模式，通過BMC最佳主時鐘算法（Best Master Clock）確定每個域內的主時鐘，其中Grandmaster是整個同步網絡的時間源，并通過Sync、Follow_Up、Delay_Request和Delay_Response報文通告精確的時間戳，完成頻率和時間同步，原理如圖2所示：

圖2 PTP同步原理

主時鐘周期性地給從時鐘發送Sync報文，這個同步報文包括該報文離開主時鐘的時間估計值。緊接著發送Follow_Up消息通告上個消息的實際發送時間t1；從時鐘記錄Sync消息的到達時間t2。從時鐘向主時鐘發送一個延遲請求Delay_Request報文，同時記錄該報文的實際發送時間t3；主時鐘記錄延遲請求報文到達的時間t4，并發送延遲請求響應報文Delay_Response把t4告知從時鐘。從時鐘根據4個時間信息計算出兩個時鐘的偏差和傳輸延遲。

假設主從之間的消息往返延遲是對稱的，則有從時鐘與主時鐘的時間偏差Offset為：

從時鐘與主時鐘之間的傳輸延遲Delay為：

從時鐘根據計算出來的偏差修正本地時間，從而達到與主時鐘同步。

2.3 時鐘同步技術的對比

移動通信系統的同步需求包括頻率同步和時間同步兩個方面，頻率和時間的偏差會影響終端在基站間的切換成功率，影響頻譜利用率。

NTP（Network Time Protocol，網絡時間協議），是設計用來使網絡上的計算機保持時間同步的一種協議，主要用于Internet，在電信系統中主要應用于網管、計費系統，其同步精度只能達到毫秒級，并不能滿足移動通信系統的時鐘同步要求。

公用移動通信網絡的傳統同步解決方案：對于只有頻率同步需求的系統，主要靠BITS＋SDH解決同步要求，如GSM、WCDMA；對于有頻率同步和時間同步要求的系統，通過給每個基站配備GPS模塊來進行同步，如TD-SCDMA、CDMA2000、T D-LTE。近幾年，公用移動通信網絡已開始采用基于PTN 的IEEE1588同步方案來替代GPS。

TETRA（Terrestrial Trunked Radio，陸上集群無線電）系統的傳統同步解決方案：TETRA系統也是采用GPS同步方式來提供精確的頻率同步和時間同步。

可見，在公用移動通信網絡或專用移動通信網絡中，傳統方案主要都是采用GPS作為時鐘同步的解決方案。GPS同步方式的優點是精度高，但是也存在不少問題：每個基站都需要安裝GPS天線，而且GPS天線需要安裝在視野良好的露天環境，如果基站部署在地下或者隧道，那么就需要鋪設較長的饋線，增加工程的復雜性，維護起來也比較困難。另外，這種同步方式依賴美國GPS系統，存在一定的政治和安全風險。

幾種同步技術的對比如表1所示。

通過對比可以看出PTP同步技術具有精度高、支持頻率同步和時間同步等優點，并且針對移動通信系統從電路交換向全IP化演進過程中出現的同步問題，PTP也是可靠有效的解決方案。

3 PTP系統集成及測試方案

3.1 TETRA系統的同步要求

根據TETRA標準要求，基站必須具備精度較高的頻率同步和時間同步，頻率精度方面要滿足±0.2ppm（±0.2ppm for 400MHz，±0.1ppm for 800 MHz）；時間精度方面，同一基站內不同載波之間的時間偏差不能超過125/9μs。

表1 同步技術的對比

3.2 PTP系統集成方案

海能達TETRA 2代基站采用基于硬件的PTP集成方案，即內置PTP芯片來實現PTP功能，將PTP芯片、支持PTP的交換芯片和PHY芯片、OCXO高精度恒溫晶振集成到基站的控制器單元，配合系統軟件實現PTP功能，將基站配置為PTP Slave，并通過基站內部的分發機制進行時鐘同步，保證系統滿足TETRA標準的相關要求。基站可配置兩個控制器單元，互為備份冗余，以實現PTP同步的冗余。

另外，TETRA 2代基站支持同時配置GPS同步和PTP同步，此時GPS優先級更高，當GPS信號失效時可切換到PTP模式。

3.3 測試環境搭建

海能達TETRA系統的PTP部署方式主要基于IP傳輸網，并根據實際情況對網絡進行優化，確保時鐘同步的精確性和穩定性。為實際驗證海能達TETRA 2代基站的PTP功能和性能，以及測試網絡對PTP同步的影響，搭建了如下的測試環境。

（1）測試設備

TETRA 2代基站：海能達TETRA系統為全IP架構，支持彈性的部署方式，根據SCF（交換控制節點功能）和BSF（基站節點功能）部署位置的不同分為集中式和分布式。在本次測試中，TETRA 2代基站為集中式配置。

PTP Grand ma ster：PTP Grandmaster為整個TETRA網絡的時間源，基于PTP（IEEE 1588）協議提供精確的時間同步。PTP模式配置為Unicast、PTP over IP、Two-Step。

層三交換機：由于TETRA系統的業務功能需要接入不同的外部網絡，例如語音、調度錄音、分組數據業務等，這些不同的數據流量必須分到不同的VLAN中，因此需要在層三交換機上完成相關配置。

層二交換機：為了模擬網絡環境對PTP同步的影響，使用了數量較多的層二交換機進行測試，實際工程情況中網絡環境可能會更加復雜。

測試電腦：安裝PTP監控軟件和Wireshark軟件，主要用于對PTP狀態進行監控和對PTP數據進行抓包。

GPS模塊：提供1PPS輸出，作為測量PTP同步精度的參考源。

示波器：主要用于測量PTP同步精度、基站不同載波之間的相位差。

測試設備數量及配置如表2所示：

表2 測試設備數量及配置

（2）測試環境拓撲圖

PTP Grandmaster必須連接GPS天線，并保證能夠接收到5顆以上衛星，通過CAT5網線連接到層三交換機或層二交換機。TETRA 2代基站連接到層三交換機（對應VLAN）。使用PTP監控軟件時，測試電腦連接到層三交換機，使用與基站相同的VLAN；使用Wireshark軟件時，測試電腦連接到層三交換機的監聽端口，層三交換機需做相應的鏡像端口和監聽端口配置。示波器連接到基站信道機的測試端口。在進行網絡測試時，將層二交換機連接到PTP Grandmaster和層三交換機之間，數量從0到12個逐步增加。測試環境拓撲圖如圖3所示：

圖3 測試環境拓撲圖

4 測試結果分析

4.1 PTP同步測試

為了驗證TETRA 2代基站的PTP功能及性能，在完成測試環境的搭建和系統的各項配置之后，進行了以下的測試項目：

（1）檢查基站PTP狀態：主備2個控制器單元的PTP端口狀態均為Slave，即基站控制器單元與PTP Grandmaster通信正常；并且PTP同步狀態為Locked，其判定標準為Phase Error優于±1000ns，鎖定表明PTP工作正常。

（2）測量PTP時間同步的精度：以GPS模塊的1PPS輸出為參考，使用示波器測量基站控制器單元1PPS輸出的上升沿與GPS模塊的1PPS上升沿的偏差，得到PTP模式下基站控制器單元1PPS輸出的相位差（時間偏差）為：-664～170ns，-304～154ns，如圖4所示：

圖4 基站1PPS精度測量結果

（3）測量載波之間的相位差：將信道機的調試端口連接到示波器，測量信道機的Multi-frame信號上升沿的偏差，得到載波之間的相位差都優于±600ns，滿足TETRA系統的需求。

4.2 PTP message rate及網絡指標測試

（1）PTP message rate測試

不同的PTP message rate下PTP同步數據所占用的網絡帶寬不同，同時也會影響PTP的同步性能，本次測試主要包括32Hz、16Hz、8Hz三種速率。

使用Wireshark進行抓包：當PTP message rate為32Hz時（Announce: 2s，Sync: 32Hz，Delay: 32Hz），Master-Slave數據傳輸速率（帶寬）為70kbps，Slave-Master數據傳輸速率（帶寬）為22kbps，如圖5所示。

當PTP message rate為16Hz時，Master-Slave數據傳輸速率（帶寬）為34kbps，Slave-Master數據傳輸速率（帶寬）為11kbps；當PTP message rate為8Hz時，Master-Slave數據傳輸速率（帶寬）為17kbps，Slave-Master數據傳輸速率（帶寬）為5kbps?？梢奝TP同步所占用的網絡帶寬并不大，現在的傳輸網基本都可以滿足。

（2）網絡指標測試

ITU-T G.826x及G.827x相關標準對PTP的部署做了一些規范和建議，理想的情況是網絡中的每一級節點都支持IEEE 1588協議，即網絡中的傳輸設備都支持IEEE 1588，在這種情況下，可以保證基站獲取到精確的PTP 同步。對于網絡中的傳輸設備不支持PTP的透傳方式，標準中定義了PTP必須具備PDV（Packet Delay Variation，分組時延變化）的過濾算法來減少PDV的影響，為確保在整個網絡中保持PTP的精確性和穩定性，要求傳輸網絡必須為對稱性（Symmetry），網絡產生的PDV必須限制在一定的范圍內。

以下測試主要關注網絡的Delay（時延）和PDV（時延變化），通過增加網絡中的交換機來改變網絡指標。通過PTP監控軟件進行監控，觀察時間為16小時，以1個交換機、10個交換機時、13個交換機時的網絡指標和PTP同步情況為例，如表3和圖6所示，可以看到，當網絡中接入13個交換機，且PTP message rate為8Hz時，M-S delay/S-M delay達到了160μs，M-S Filtered PDV/S-M Filtered PDV達到了400ns（過濾之后的PDV），PTP同步的Phase Error出現了一次超過-1000ns的情況，導致PTP失鎖，因此，可以認為此時的網絡指標為PTP可以容忍的指標。由于鏈路非對稱性可控，而PDV具有隨機性，因此對PTP同步影響最大的因素應該是PDV，在部署中必須控制好網絡的PDV。

本次測試驗證了PTP 部署于IP 傳輸網中的可行性，并且研究了網絡指標對PTP同步性能的影響，為PTP的部署提供了理論支撐和方法指導。

圖 5 PTP（32Hz）數據傳輸速率

圖6 PTP性能監控

表3 網絡指標測試結果

綜上所述，海能達TETRA 2代基站成功實現了基于PTP同步技術的同步方案，同步精度達到亞微秒級，完全能夠滿足TETRA系統的要求，PTP同步方式下的基站工作正常、穩定，并且具備大規模部署的可能性，因此，PTP可以替代GPS作為系統的同步方案。在地鐵行業中，基站需要部署在地下或者隧道，傳統GPS方案的工程實施非常困難，而PTP方案的部署則更加靈活，PTP Grandmaster可以部署在TETRA網絡中合適的地方（如控制中心），而基站可以部署在其他地方，只需保證PTP Grandmaster與基站之間的網絡通信正常即可。

5 結束語

TETRA 系統是國際上技術最成熟、功能最豐富的數字集群通信技術體制，廣泛地應用于各行各業，特別在軌道交通行業中，TETRA系統更是列車指揮調度和日常行車管理的核心。隨著城市軌道交通建設規模的不斷擴大，軌道交通行業對TETRA系統的需求也將持續增長。

PTP 同步技術使得基站的部署更加靈活，更適合應用于軌道交通行業。海能達ACCESS NET-TIP 系統是基于全IP 架構的TETRA數字集群通信系統，采用PTP同步方案，具備組網靈活、成本節省、維護方便等優勢。海能達將在理解行業客戶專有性需求的基礎上，持續創新，為客戶提供滿足行業應用的優質產品和端到端解決方案，助力軌道交通行業的發展建設。

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